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FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 1 Equação da Energia e presença de uma máquina: 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 v v p g h p g h 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 p v p v h h g g 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 p v p v H h h H g g Se colocarmos uma máquina entre os pontos (1) e (2), escreveremos a relação como: 1 2MH H H Se 2 1 0MH H H Motor; Se 2 1 0MH H H Turbina. Vazões: Definimos como: Vazão em Peso: eso g P Q t Vazão em Massa: m m Q t Vazão em Volume: V Q t Potência de uma máquina A potência de uma máquina é definida como: m t E P t m m eso t eso E E P P t P t m eso E H P Como: eso t P P H t t m g P H t t V g P H t V Q t g tP H Q Rendimento de uma máquina: O Rendimento de uma máquina é definido quanto a sua natureza. Se a máquina for um motor: B B eixoB P P B B eixoB eixoB B B P Q H P P Se a máquina for uma turbina: T T fT P P T T fT T T TP P P Q H Equação da continuidade: 1 2 1 1 2 2m m V V 1 1 1 2 2 2v A v A Para fluidos incompressíveis: 1 1 2 2v A v A {2} Equação de Bernoulli: 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 v v p gy p gy {3} 1 2H H 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 v p v p z z g g Substituindo {2} em {3}, a velocidade é dada por: 2 2 2 q H O p v c Com: 2 4 1 1 2 2 4 4 1 2 1 2 q A d c A A d d A vazão será: 1 1 2 2Q A v A v Equação da energia para fluido real Nesse item será retirada a hipótese de fluido ideal; logo, serão considerados os atritos internos no escoamento do fluido. São mantidas as hipóteses de regime permanente, fluido incompressível, propriedades uniformes na seção e sem trocas de calor induzidas. Esta última significa que não existe uma troca de calor provocada propositalmente; no entanto, ao se considerar os atritos no escoamento do fluido, deve-se imaginar que haverá uma perda de calor do fluido para o ambiente causada pêlos próprios atritos. Como será visto a seguir, a construção da equação da energia pode ser realizada sem se falar, explicitamente, dessa perda de calor. Da equação de Bernoulli sabe-se que, se o fluido fosse perfeito. H1 = H2 (Figura 4.8). FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 2 Se, no entanto, houver atritos no transporte do fluido, entre as seções (l) e (2) haverá uma dissipação da energia, de forma que H1 > H2. Querendo restabelecer a igualdade, será necessário somar no segundo membro a energia dissi- pada no transporte. 121 2 p H H H 12p H : energia perdida entre (l) e (2) por unidade de peso do fluido. Como 12 1 2p H H H e como H1 E H2 são chamados cargas totais, 12p H é denominado 'perda de carga'. Se for considerada também a presença de uma máquina entre (l) e (2), a equação da energia ficará: 121 2M p H H H H 12 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 M p v p v p z H z H g g Da Equação deve-se notar que, no escoamento de um fluido real entre duas seções onde não existe máquina, a energia é sempre decrescente no sentido do escoamento, isto é, a carga total a montante é sempre maior que a de jusante, desde que não haja máquina entre as duas. A potência dissipada pêlos atritos é facilmente calculável raciocinando da mesma maneira que para o cálculo da potência do fluido. A potência dissipada ou perdida por atrito poderá ser calculada por: 12diss p N QH Exemplos: 1. Um tubo admite água ( = 1000 kg/m3) num reservatório cuja vazão é de 20 L/s. No mesmo reservatório é trazido óleo ( = 800 kg/m3) por outro tubo com vazão de 10L/s. A mistura homogênea formada é descarregada por um tubo cuja seção tem uma área de 30 cm 2 . Determinar a massa específica da mistura no tubo de descarga e a velocidade da mesma. 33 1 20 20 10 mL s s Q ; 33 2 10 10 10 mL s s Q mQ Q 33 1 2 3 3 20 10 30 30 10 mL s s Q Q Q Q 1 2 3 1 2 3m m m a o mQ Q Q Q Q Q 31000 0,02 800 0,01 0,03 933,33 kg m m m 3933,33 kg m m 3 4 30 10 10 30 10 m m m m m m s Q Q Av v v A 10 mm sv 2. No tubo da figura, transporta-se ar. Na área da maior seção do tubo a área vale 25 cm 2 , a densidade 1,2 kg/m 3 e a velocidade 10 m/s; no ponto de menor seção a área vale 5 cm 2 , a densidade 0,8 kg/m 3 . Determine na menor seção a velocidade e as vazões em massa, volume e em peso. v (1) (2) 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 m m Av Q Q Av A v v A 2 2 1,2 25 10 75 0,8 5 m s v v 34 2 2 2 2 25 10 75 0.0375 m s Q A v Q Q 2 2 2 2 20.8 0.0375 0.03 kg m m m s Q Q Q Q 2 2 2 29.81 0.03 0.29 N g m g g s Q gQ Q Q Equação da energia para fluido real Nesse item será retirada a hipótese de fluido ideal; logo, serão considerados os atritos internos no escoamento do fluido. São mantidas as hipóteses de regime permanente, fluido incompressível, propriedades uniformes na seção e sem trocas de calor induzidas. Esta última significa que não existe uma troca de calor provocada propositalmente; no entanto, ao se considerar os atritos no escoamento do fluido, deve-se imaginar que haverá uma perda de calor do fluido para o ambiente causada pêlos próprios atritos. Como será visto a seguir, a construção da equação da energia pode ser realizada sem se falar, explicitamente, dessa perda de calor. Da equação de Bernoulli sabe-se que, se o fluido fosse perfeito. H1 = H2 . Se, no entanto, houver atritos no transporte do fluido, entre as seções (l) e (2) haverá uma dissipação da energia, de forma que H1 > H2. Querendo restabelecer a igualdade, será necessário somar no segundo membro a energia dissipada no transporte. 121 2 p H H H 12p H : energia perdida entre (l) e (2) por unidade de peso do fluido. FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 3 Como 12 1 2p H H H e como H1 E H2 são chamados cargas totais, 12p H é denominado 'perda de carga'. Se for considerada também a presença de uma máquina entre (l) e (2), a equação da energia ficará: 121 2M p H H H H 12 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 M p v p v p z H z H g g Da Equação deve-se notar que, no escoamento de um fluido real entre duas seções onde não existe máquina, a energia é sempre decrescenteno sentido do escoamento, isto é, a carga total a montante é sempre maior que a de jusante, desde que não haja máquina entre as duas. A potência dissipada pêlos atritos é facilmente calculável raciocinando da mesma maneira que para o cálculo da potência do fluido. A potência dissipada ou perdida por atrito poderá ser calculada por: 12diss p N Q H Equação de Bernoulli: 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 v v p gh p gh 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 p v p v h h H H g g h h2 (2) H2( p2, 2v ,h2) M H1( p1, 1v ,h1) h1 (1) 121 2M p H H H H FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 4 Exemplos: l. Na instalação da figura, verificar se a máquina é uma bomba ou uma turbina e determinar a sua potência, sabendo que seu rendimento é 75%. Sabe-se que a pressão indicada por um manômetro instalado na seção (2) é 0,16 MPa, a vazão é l0 L/s, a área da seção dos tubos é l0 cm 2 e a perda de carga entre as seções (l) e (4) é 2 m. Não é dado o sentido do escoamento, 2 4 310H O N m ; g = 10 m/s 2 . Solução Deve ser notado, inicialmente, que a seção (4) é o nível do reservatório inferior sem incluir a parte interna do tubo, já que nesta não se conhece a pressão. Sabe-se que o escoamento acontecerá no sentido das cargas decrescentes, num trecho onde não existe máquina. Para verificar o sentido, serão calculadas as cargas nas seções (l) e (2). 2 1 1 1 1 0 0 24 24 2 v p H z m g 2 2 2 2 2 2 v p H z g 3 2 4 10 10 10 10 10 Q v m s A 2 2 2 2 2 2 v p H z g 2 6 2 4 10 0,16 10 4 25 2 10 10 H m Como H2> H1, conclui-se que o escoamento terá o sentido de (2) para (1) ou de baixo para coma, sendo a máquina, portanto, uma bomba. Aplicando-se a equação da energia entre as seções (4) e (1), que compreendem a bomba. Lembrar que a equação deve ser escrita no sentido do escoamento. 144 1B p H H H H 2 4 4 4 4 2 v p H z g 1 24H m 4 0H 14 2pH 141 4 24 0 2 26B pH H H H 4 310 10 10 26 3470 3,47 0,75B B ot B QH P W kW 2. No escoamento lamelar de um fluido em condutos circulares, o diagrama de velocidades é representado pela equação: 2 max 1 r v r v R onde vmax é a velocidade no eixo do conduto, R é o raio do conduto e r é um raio genérico para o qual a velocidade v é genérica. Sendo vm a velocidade média: 0 1 2 R mv v r dA dA r dr A A figura mostra a variação de v(r) com r. (a) Encontre a velocidade média: A A v r dA v dA (b) Mostre que: max 1 2 mv v 3. No escoamento turbulento de um fluido em condutos circulares, o diagrama de velocidades é dado pela equação: 1 7 max 1 r v r v R Mostre que: max 49 60 mv v 4. Na instalação da figura, a máquina é uma bomba e o fluido é água. A bomba tem uma potência de 5 kW e seu rendimento é 80 %. A água é descarregada à atmosfera com uma velocidade de 5 m/s pelo tubo cuja área de seção é 10 cm 2 Determinar a perda de carga do fluido entre (1) e (1) e a potência dissipada ao longo da tubulação. Dados: H2O=10 4 N/m 3 ; g = 10m/s 2 . (1) 5m (2) B FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 5 Solução: 121 2B p H H H H 2 1 1 1 1 10 0 5 5 2 v p H z H m g 2 2 2 2 2 2 5 0 0 2 2 10 v p H z g 2 1.25H m B B B Q H P B B B B B B P P H Q v A H Q v A 3 4 4 0.8 5 10 10 5 10 10 BH 80BH m 121 2B p H H H H 12 1 2p B H H H H 12 5 1.25 80pH 12 83.75pH m 1,2diss p P Q H 410 5 10 83.75dissP 4190dissP W 4.19dissP kW 5. A equação de Bernoulli, quando há uma máquina entre os pontos (1) e (2) e o deslocamento do fluido se dá de (1) para (2) pode ser reescrita da forma, considerando que há uma perda de carga Hp12 (Energia perdida por unidade de peso) de 3m : h h2 (2) H2( p2, 2v ,h2) M H1( p1, 1v ,h1) h1 (1) 121 2M p H H H H Se HM > 0 Bomba otP Bot P Potência da Bomba e rendimento: B ot ot B B ot P P QH P Se HM < 0 turbina otP Tot P Potência da Turbina e rendimento: Tot ot B T ot P P QH P Considere que não há perda de carga (Hp12=0) na figura abaixo: (1) (2) 24 m 5 m Considere o reservatório grande fornecendo água para o tanque a 10L/s. Verifique se a máquina instalada é bomba ou turbina e determine sua potência, se o seu rendimento é de 75%. Supor fluido ideal. Dados: Atubos = 10 cm 2 ; g = 10m/s 2 ; a=10 4 N/m 3 . 6. Na instalação da figura, verificar se a máquina é uma bomba ou uma turbina e determinar a sua potência, sabendo que seu rendimento é 70%. Sabe-se que a pressão indicada por um manômetro instalado na seção (2) é 0,17 MPa, a vazão é l2 L/s, a área da seção dos tubos é l0 cm 2 e a perda de carga entre as seções (l) e (4) é 2 m. Não é dado o sentido do escoamento: 2 4 310H O N m ; g = 10 m/s 2 . M FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 6 Solução: 2 1 1 1 1 0 0 24 24 2 v p Hz m g 3 2 4 12 10 12 10 10 Q v m s A 2 2 2 2 2 2 v p H z g 2 6 2 4 12 0,17 10 4 27.2 2 10 10 H m Como H2> H1, conclui-se que o escoamento terá o sentido de (2) para (1) ou de baixo para coma, sendo a máquina, portanto, uma bomba. Aplicando-se a equação da energia entre as seções (4) e (1), que compreendem a bomba. Lembrar que a equação deve ser escrita no sentido do escoamento. 144 1B p H H H H 2 4 4 4 4 2 v p H z g 1 24H m 4 0H 14 2pH 141 4 24 0 2 26B pH H H H 4 310 12 10 26 4457.14 4.457 0,70B B ot B QH P W kW Turbinas Hidráulicas - Tipos Basicamente existem dois tipos de turbinas hidráulicas: as de ação e as de reação. No primeiro caso, de ação, a energia hidráulica disponível é transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em mecânica: tudo isto ocorre a pressão atmosférica Na turbina de reação, o rotor é completamente submergido na água, com o escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e de velocidade entre a entrada e a saída do rotor. Tradicionalmente o uso de turbinas hidráulicas tem-se concentrado no tipo Pelton, com um ou mais jatos, no caso das máquinas de ação; na Francis, Hélice e Kaplan, no caso do tipo de reação. A escolha do tipo adequado baseia-se nas condições de vazão, queda líquida, na altitude do local, na conformação da rotação da turbina com a do gerador e na altura de sucção, no caso de máquinas de reação. Conhecidos a altura (H) e a vazão (O) disponíveis no local, levando-se em conta: a rotação (n) imposta em valores discretos em função do número de pares de pólos (z), do gerador elétrico, e altura de sucção,(hs), no caso da turbina hidráulica ser de reação, determina-se uma rotação específica nq = 3 n Q05 / H~1’75 , que definirá o tipo de rotor da turbina hidráulica, adequado ao aproveitamento em questão. Definido o tipo de máquina, a preocupação passa ser o tipo de carga a ser atendida. Deve- se procurar adequar a curva de carga com a de comportamento da turbina. No caso de grandes variações na carga, divide-se a instalação em duas ou mais máquinas, de maneira que através de manobras, a instalação atenderá a demanda sempre com as máquinas trabalhando a cargas adequadas. Neste caso, faz-se necessário a mudança do tipo do rotor, já que a rotação específica mudou, devido a divisão da vazão. Em grandes centrais hidroelétricas as turbinas somente serão construídas após a definição de todos os parâmetros topográficas, hidrológicos e operacionais. Com isto, existe uma perfeita caracterização da rotação específica. Neste caso é feito um projeto exclusivo para as condições impostas. A preocupação do fabricante é obter um ganho do rendimento que é resultante de extensos estudos hidrodinâmicos na máquina. O alto custo desta exclusividade é diluído, face às grandes potências geradas e ao considerável aumento de receita representado por cada percentual acrescido da turbina. Já, em instalações de pequeno porte, mini e microcentrais hidroelétricas, a preocupação maior é obter energia elétrica a baixo custo. Neste caso, o estudo da escolha do tipo e do número de turbina, feita de maneira análoga às das grandes instalações, tem como fatores limitantes a rotação mínima admissível para o gerador, na ordem de 600 rpm (rotações por minuto), a necessidade de utilizar-se de modelos padronizados oferecidos pelo fabricante. Este as oferece dentro de um campo de aplicação pré-limitado, dividido em várias faixas, sendo cada uma atendida por um modelo padrão da turbina em questão. Conseqüentemente uma turbina assim especificada dificilmente irá operar no seu ponto ótimo de funcionamento. Além do que, cada máquina deverá atender a uma variação de carga preestabelecida. Impreterivelmente, quedas de rendimento da instalação deverão ocorrer. No Brasil, os fabricantes nacionais mais conhecidos se contentam em oferecer modelos FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 7 padronizados dos tipos: Pelton, Francis e Hélice. Recentemente é que, baseados em projetos desenvolvidos no exterior, se encorajaram e passaram a oferecer a Kaplan e suas derivações como: Bulbo, ―S" e Tubular. Objetivando diminuir os custos e aumentar o seu campo de aplicação as Francis, além de caixa espiral, são oferecidas em caixas cilíndricas e abertas. Já as Pelton são oferecidas com um ou dois injetores. Normalmente, em se tratando de PCHs, estas máquinas são instaladas com eixo horizontal. Algumas empresas atuantes em outros segmentos do mercado, outras criadas especialmente para a fabricação de equipamentos hidromecânicos e até mesmo grandes empresas tradicionais no setor hidroelétrico voltaram seus interesses ao mercado das PCHs, procurando desenvolver modelos de turbinas hidráulicas possíveis de serem fabricadas em série. Poucas empresas, não tradicionais no mercado, trabalham exclusivamente com a muito divulgada, mas quase desconhecida, Michell-Banki, a maioria concentra suas atividades nas clássicas: Pelton, Francis e Hélice, deixando os caros rotores Kaplan para uma fase posterior, quando o mercado assim o permitir. Em caso das instalações exigirem este último tipo, os projetos geralmente são importados das sedes de origem do fornecedor. Alguns tipos de turbinas que, embora bastante utilizadas, são consideradas não convencionais. Dos tipos descritos a seguir, somente a Michell-Banki encontra-se devidamente divulgada no país, é construída em pequena escala. Todas elas apresentam como vantagens comuns: simplicidade construtiva, adequação à padronização, baixo custo, simplicidade de operação e manutenção, robustez dos componentes, bom comportamento em sistemas isolados. Como desvantagem, conseqüentes das simplificações impostas, elas apresentam rendimentos ligeiramente inferiores às turbinas tradicionais. Turbinas Convencionais Turbina Pelton As Turbinas Pelton são máquinas de ação, escoamento tangencial. Operam altas quedas e baixas vazões. Podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos e seis (06) jatos. C controle da vazão é realizado na agulha e injetor. A figura 4 mostra uma turbina Pelton de dois (02) jatos, com suas partes principais. Turbina Francis As Turbinas Francis são máquinas de reação, escoamento radial (lenta e normal) e escoamento misto (rápida). Operam médias vazões e médias quedas. O controle da vazão é realizado no distribuidor ou sistema de pás móveis. Turbina Axial: Hélice e Kaplan As Turbinas axiais são máquinas de reação, de escoamento axial. Operam grandes vazões e baixas quedas. O controle de vazão é realizado: turbina Hélice — pás do distribuidor (simples regulagem) e turbina Kaplan - pás do distribuidor e pás do rotor. Turbinas Não Convencionais Turbina Michell Banki Inicialmente patenteada na Inglaterra, em 1903, por A G. Michell, engenheiro australiano, mais tarde, entre os anos de 1917 e 1919, pesquisada e divulgada pelo professor húngaro Banki, esta turbina foi extensivamente comercializada pela empresa alemã Ossberger Turbinen Fabrikque associou-se a Michell por volta de 1923. Nestes últimos 65 anos esta empresa responsável pela entrega de mais de 7.000 unidades em todo o mundo, especialmente para em desenvolvimento. Atualmente, o número de fabricante deste tipo de turbina supera uma centena. No Brasil, o objeto de pesquisa do LHPCH-UNIFEI desde 1983, a turbina Michell-Banki, ou fluxo-cruzado, como também é conhecido, já foi fabricada pela empresa Mescli, de Piracicaba-SP, na década de 60. Nesta mesma época a Fundição Brasil também a oferecia com o nome de Duplex. Atualmente, o país conta por volta de quatro fabricantes deste tipo de turbina. Devido às suas características específicas, estas turbinas cobrem o campo das turbinas tipo Pelton dois jatos até a Francis normal. Sendo classificada como uma máquina de ação ela apresenta características de reação na primeira passagem. O seu campo de aplicação atende quedas de 3 a 100 m, vazões de 0,02 a 2,0 (m3/s) e potências de t a 100 kW Devido à sua facilidade de padronização pode apresentar rotações específicas, nqa, entre 40 a 200. Devido à sua simplicidade construtiva e as peculiaridades quanto ao seu funcionamento, esta turbina mostra-se altamente indicada para ser usada em microcentrais hidroelétricas. Destaca-se: - Construção simples, poucas peças móveis, facilitando a manutenção; - Fácil instalação, diminuindo os custos de obras civis; - Custos iniciais inferiores aos dos outros tipos de turbinas usadas em centrais de baixa queda; - Trabalha sob condições ideais de funcionamento, mesmo se funcionando a cargas parciais; - Pode trabalhar em várias situações de queda e vazão, permitindo a sua padronização, conseqüentemente diminuindo os custos de fabricação; - Componentes, como o disco do rotor, a tampa e as pás podem ser fabricados a partir de uma chapa de aço carbono; - Pás são apenas calandradas; - Adapta-se a tubos de sucção. FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 8 Turbina de Fluxo Partido A turbina de Fluxo Partido, mostrada na figura 9, trata de uma variação da Michell-Banki. Originada no Nepal onde foi, pela primeira vez, construída e testada pela empresa N. Y 8., e mais tarde testada pela Escola Politécnica de Hong Kong, a Turbina de Fluxo-Partido, SplitFlow, assim denominada, foi concebida de maneira a estender o campo de aplicação das turbinas Michel-Banki à rotação específica, nq inferiores a 40 (de 15 a 40). Com um campo de aplicação limitado entre queda de 50 a 150 (m) e vazões de 0,01 a 0,13 (m3/s), esta turbina deverá concorrer com a turbina Pelton de um jato. O seu funcionamento ocorre da seguinte maneira: a água oriunda das tubulações, passa por uma peça de transição, que muda a secção transversal de circular para retangular, entra no injetor o qual, juntamente com a pá diretriz, direciona o fluxo d’água para o rotor primário, que está contido no interior do rotor secundário, que por sua vez é bi-partido, figura 5. A água escoa através das pás em formato de arco de círculo do rotor primário e o jato d’água é partido de maneira a incidir no interior das pás, também em arco de círculo, do rotor secundário e daí sair para o canal de fuga. Ambos os rotores são solidários a um eixo horizontal. Todo o conjunto é contido no interior de uma tampa. Em testes feitos pela Politécnica de Hong Kong, obteve-se rendimentos na ordem de 58 a 610/o, sendo que o primário testado sozinho forneceu 46 a 56%. A vantagem deste tipo de turbina, além de ampliar o campo de aplicação de Michel-Banki, é a sua facilidade de fabricação, já que pode usar processo de fundição para o rotor. A desvantagem consiste no rendimento sensivelmente inferior a Michel-Banki de rotações específicas equivalente, conforme os resultantes obtidos nos testes desenvolvidos na politécnica de Hong Kong. Turbina Turgo A turbina Turgo é fabricada pela Gilkers & Gordon Ltda, empresa inglesa. Trata-se de uma máquina de ação e diferencia da Pelton quanto ao ângulo de incidência do jato d’água. Quando na Pelton o jato é tangencial, na Turgo é lateral, O jato d’água incidente no injetor, e no rotor lateralmente, formando um ângulo ente 100 a 200. A água escoa pelas pás saindo livremente do outro lado para o canal de fuga. Com rotações específicas, nq, variando de 15 a 65, a Turgo atende quedas entre 15 a 100 m e vazões de 0,01 a 0,100 m3/s, com potências de 100W a 100 kW. Devido às suas particularidades, a Turgo compete com a Pelton multijatos até a Francis Normal. Se com características semelhantes, a Turgo apresenta as seguintes vantagens diante da Pelton Multi-jatos: - Devido a posição do jato, a turbina Turgo pode assumir diâmetros até a metade da roda Pelton para as mesmas condições. - Como a Pelton, a Turgo pode ser dotada de ate três injetores. - Devido às maiores vazões admissíveis nos injetores da roda turgo, ocorre uma diminuição do número de injetores, e conseqüentemente, há uma simplificação no sistema de controle de velocidade. Com a diminuição do diâmetro há um aumento na rotação, logo, sob quedas menores, é possível obter rotações adequadas ao gerador. Atualmente, além da Gilkers, existem propostas de outros modelos de turbinas Turgo mais simplificados, como a pesquisada pelos chineses. Estes propõem o uso de pás semi- esféricas que, equacionadas, permitiram o dimensionamento e construção de um protótipo, cujos resultados obtidos em ensaios foram equivalentes ao fornecido pelas Gilkers. No Chile, a exemplo das rodas Pelton, existe uma proposta para construção de simples rodas Turgo, construídas com pás semi-esféricas e setias, no lugar de injetores. Turbina Shiele A Turbina Schiele produzida somente pela empresa Water Power Engineering, Cambridge, Inglaterra, apresenta-se como um interessante tipo de turbina de reação. De rotor aberto, com fluxo em paralelo, ela opera submersa, abaixo do nível de jusante. O seu campo de aplicação cobre quedas de 1 a 10 m, vazões de 0,095 a 1,7m3/s, gerando potencias desde 1,7 a 58 kW. Pelos dados fornecidos pelo seu fabricante a rotação específica adotada é na ordem de 60. Trata-se de uma concorrente da Turbina Michell-Banki, sendo que as vantagens estão no fato de assumirem diâmetros menores e, conseqüentemente, maiores rotações que as turbinas de impulso. O rotor, que é fabricado em diâmetros padrões: 200, 300, 400, 600 mm, é instalado com eixo vertical, dentro de uma caixa espiral que, por sua vez, é ligada à tomada d’água por uma tubulação de PVC. A água que vem escoando pelo rotor é dividida, saindo tanto pela parte superior e inferior do rotor, para daí escoar para o canal de fuga através de um curto tubo de sucção. Devido ao emprego de polímeros na fundição do rotor, não se faz necessário a usinagem pós-fabricação. Com um acabamento extremamente liso e de alta integridade, o polímero por ser flexível, dá à turbina uma alta resistência à erosão dos detritos que por ventura passem pela grade. O fabricante da turbina Schiele, ou de fluxo em paralelo como também é denominada, fornece-a em forma de pacote. Empregando materiais leves e resistentes, como é o caso de fibras de vidro, PVC e FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perdade carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 9 polímeros, são fornecidos todos os componentes básicos da microcentral de maneira a minimizar o emprego da mão-de-obra na construção da microcentral. A tomada d’água, feita de fibra de vidro, é dotada de uma comporta desviadora, uma grade, e um extravasor. A água é conduzida até a turbina, instalada dentro de um tanque, através de um conduto de PVC. A água após passar pela turbina escoa pelo tanque através de um pequeno tubo de sucção para sair pelo rio. A potência é transmitida para o gerador, através de um eixo e uma transmissão por polias, que se faz necessário para adequar a rotação da turbina ao gerador. A velocidade da instalação é controlada eletronicamente através de um banco de resistência, que pode ser usado para aquecer água dispondo assim a carga não consumida pela usuário. Bombas Funcionando como Turbinas Por fim, destaca-se o caso das bombas funcionando como turbinas (B.F.T.), que se tratam de a solução importante no caso de microcentrais. O uso da bomba funcionando corno turbina, B.F.T., mostra- se altamente adequado para geração de potências inferiores a 50 W com a instalação trabalhando a plena carga. A experiência já adquirida no país, através de pesquisas desenvolvidas no LHPCH - UNIFEI, que iniciou os estudos em trabalhos publica- os pela Worthington e alguns pesquisadores estrangeiros, demonstra que o uso da B.F.T. pode tornar-se de imediato uma solução altamente econômica para as microcentrais. O funcionamento da instalação se dá pelo princípio de se operar uma bomba ao reverso, que motivos econômicos, pode ser de fabricação seriada, não sofrendo qualquer modificação. Ainda, admite-se somente o uso de um tubo de sucção cônico e o uso de uma válvula na entrada da B.F.T. para pequenas regulagens de carga. Posta a operar, a B.F.T. tem se comportado excelentemente. Não ocorrem vibrações, o rendimento é igual ou, em alguns casos, superior ao rendimento da bomba quando em operação. A dificuldade consiste em saber se o rendimento garantido pelo fabricante é real ou não, se o ponto ótimo de funcionamento é realmente para as condições de altura manométrica, vazão e rotação conforme mostrado em catálogos. As experiências têm demonstrado que, em se tratando de bombas fabricadas em série, dificilmente o apresentado em catálogos é obtido em ensaios no laboratório. Devido ao baixo custo, as B.F.T.s apresentam os inconvenientes de não admitirem variações de carga. Problema este que pode facilmente ser solucionado com regulador eletrônico de carga constante. Turbina Hidrocinética Em 1982, J. H. Harwood, um pesquisador da Universidade do Amazonas, desenvolveu um tipo de turbina hidrocinética com tecnologia apropriada à geração de pequenas potências denominado cata-água. Tal como mostrado na figura 13. O dispositivo é constituído por um cata-vento, com um número menor de pás, imerso na água. O rotor, através de uma correia, aciona o gerador instalado estrategicamente sobre flutuadores, O conjunto é ancorado, através de cabos, de forma a melhor aproveitar a correnteza do rio. A turbina de rotor hélice desenvolvida em Nova Iorque, pois este rotor permite maiores eficiências, permitindo gerar em ambos os sentidos, alcançando 25 kW Existe um exemplar desta turbina em Brasília na UNB. A figura 14 mostra esta turbina. Uma outra proposta é a turbina hidrocinética axial, que foi elaborada pelo pesquisador do LHPCH-UNIFEI, cujo o arranjo está mostrado na figura 15. Nesta proposta o rotor, em forma de polia, aciona diretamente o gerador posicionado sobre os flutuadores. Uma outra proposta é o uso do rotor eólico Darreus de pás retas como a turbina hidrocinética, mostrado na figura 16. Este tipo de turbina tem a vantagem de ter eixo na posição vertical, facilitando a instalação do gerador ou de polia multiplicadora de velocidade, e caracteriza-se, principalmente, em produzir energia independente da direção da correnteza. Turbina Helicoidal (Gorlov) A turbina Helicoidal, desenvolvida pelo pesquisador Alexander M.Gorlov também baseada na turbina Darreus, concebida na década de 1930, se difere da primeira pelo formato das pás. Tal turbina mostrada nas figuras 17 e 18, elas assumem forma helicoidal e apresentam um maior rendimento e menores vibrações, uma vez que sempre haverá uma pá em posição de receber o fluxo. Os primeiros testes foram realizados em 1996, no Laboratório de Turbinas Helicoidais de Massachusetts, Cambridge, USA. A partir destes testes, verificaram-se que esta é uma FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 10 máquina que ocupa pouco espaço; é leve e fácil de manusear; apresenta baixo custo de fabricação e apresenta pequena vibração mecânica. São turbinas hidráulicas capazes de gerar até 5 kW de potência, operando independentemente da direção da correnteza. Esta turbina possui rotação unidirecional mantendo um escoamento livre, com um rendimento máximo que pode alcançar 35%, é fabricada em alumínio e revestida com uma camada de material antiaderente, reduzindo desta forma o atrito na água e prevenindo contra o acúmulo de crustáceos e sujeira. Esta pode ser usada na posição vertical ou horizontal. A turbina Gorlov também pode ser denominada de turbina ―ecológica‖ em razão do seu aspecto construtivo, ou seja, dimensão, ângulo e distanciamento entre suas pás, que permitem a passagem fácil de peixes, não contribuindo para denegrir o meio ambiente. As turbinas Gorlov têm sido testadas para diferentes finalidades, a saber: em plataformas marítimas, onde produzem a eletricidade usada na eletrólise da água para fornecer hidrogênio e oxigênio; e na produção de eletricidade para abastecer pequenas propriedades rurais nas regiões ribeirinhas de rios, nos EUA, China e Coréia. Exercício 4.5 – Quais são as vazões de óleo em massa e em peso do tubo convergente da figura, para elevar uma coluna de 20 cm de óleo no ponto (0)? 80 mm 40 mm 20 cm (0) (1) Solução: 2 2 0 0 1 1 0 1 2 2 v p v p z z g g 0 0.2 p 22 0 01 2 2 v pv g g 2 2 1 0 0.2 20v v 2 2 1 0 4v v 0 0 1 1A v A v 2 2 0 1 0 1 4 4 D D v v 2 2 0 1 1 0 80 40 4 4 4 v v v v 2 2 0 0 016 4 0.52 m v v v s 2 0 0 4 Q D v 20.08 0.52 4 Q 3 0.0026 2.6 m l Q Q s s mQ Q mQ Q g 8000 0.0026 10 mQ 2.1m kg Q s g mQ g Q 21gQ N s FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 11 Exercício 4.7 – Na extremidade de uma tubulação de diâmetro D, acha-se instalado um bocal que lança um jato de água na atmosfera com diâmetro de 2 cm. O manômetro metálico registra uma pressãode 20 kPa e a água sobe no tubo de Pitot até a altura de 2.5 m. Nessas condições, determinar: (a) A vazão em peso do escoamento. (b) O diâmetro D do tubo admitindo escoamento permanente e sem atrito. a = 10 N/L D (1) (2) Solução: (a) 2 2 2 22 7.07 2 m s v h v g h v g 2 2 2 4 gQ D v 4 210 0.02 7.07 4 gQ 22.2g N Q s (b) 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 v p v p z z g g 2 2 1 2 1 2 2 v v p g g 2 2 3 1 14 7.07 20 10 3.16 2 2 10 10 m s v v g 2 2 1 2 1 2 4 4 D D v v 2 1 2 1 v D D v 1 3D cm Exercício 4.9 – Um dos métodos para se produzir vácuo numa câmara é descarregar água por um tubo convergente-divergente, como é mostrado na figura. Qual deve ser a vazão em massa de água pelo convergente-divergente para produzir uma depressão de 22 cm de mercúrio na câmara da figura? Dados: desprezar as perdas de carga. 2 4 3 10H O N m ; 5 3 1.36 10Hg N m 2 10 m g s 1 72D mm 2 36D mm Câmara patm (1) (2) Solução: 5 2 2 1.36 10 0.22Hgp h p 2 29920p Pa 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 v p v p z z g g 2 2 2 2 1 2 p v v g 2 2 2 1 4 29920 20 10 v v 2 2 2 1 59.84v v 1 1 2 2A v A v 2 2 1 2 1 2 4 4 D D v v 2 14v v 1 2 m s v mQ Q g 1 1mQ A v g 2 1 1 4 m D Q v g 4 210 0.072 2 10 4 mQ 8.14 kg m s Q Exercício 4.11 – Desprezando os atritos do pistão da figura, determinar: (a) a potência da bomba em kW se seu rendimento for 80%. (b) a força que o pistão pode equilibrar a haste. FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 12 H2O Dados: A2 = A3 = A4 = A5 = A6 = 10 cm 2 AG = 8 cm 2 ; Ap = 20 cm 2 ; AH = 10 cm 2 Hp1,2 = Hp1,4 = 0.5 m; Hp4,5 = 0. Solução: (a) 1,6 22 6 61 1 1 6 2 2 B p v pv p z H z H g g 1,6 2 6 1 2 B p v z H H g 1,6 2 6 1 2 B p v H H z g 210 2 4 20 BH 3BH m 6 6Q A v 410 10 10Q 3 0.01 m Q s B B B Q H P 410 0.01 3 0.80 BP 375BP W (b) 4 p G p Hp A p A A F 4 p G p HF p A p A A 4,6 22 6 64 4 4 6 2 2 p v pv p z z H g g 4,6 4,6 4 4p p p H p H 4 4 4 410 1 10p p Pa 22 4 4 4 2 2 G G G v pv p z z g g 2 2 44 2 G Gp v vp g G G G G Q Q A v v A 4 0.01 8 10 Gv 12.5G m v s 2 2 44 2 G Gp v vp g 4 2 2 4 4 10 10 12.5 10 10 20 Gp 41.81 10Gp Pa 4 p G p HF p A p A A 4 4 4 4 410 20 10 1.81 10 20 10 10 10F 38.1F N Exemplo 4.13 – Sabendo que a potência da bomba é 3 kW, seu rendimento é 75 % e que o escoamento é de (1) para (2), determinar: (a) a vazão. (b) a carga manométrica da bomba. (c) a pressão do gás. Dados: 3A5 = A4 = 100 cm 2 Hp1,2 = Hp5,6 = 1.5 m; Hp1,4 = 0.7m. 2 4 3 10H O N m Gás (6) 4m (2) (3) (4) (5) B 2m h = 0.8m (1) F =1.2.10 5N/m3 (H2O) Solução: (a) 22 5 54 4 4 5 2 2 v pv p z z g g 2 2 4 5 5 4 2 p p v v g Equação manométrica: 4 5 Fp p h 5 44 5 1.2 10 10 0.8p p 4 4 5 8.8 10p p Pa FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 13 4 2 2 5 4 4 8.8 10 2 10 10 v v 2 2 5 4 176v v 4 4 5 5A v A v 5 4 5 53 A v A v 5 43v v 2 2 2 2 4 4 4 43 176 9 176v v v v 4 4 176 4.7 8 m v v s 4 4 4 4 4 100 10 4.7Q A v Q 3 4 0.047 m Q s (b) B B B Q H P B B B P H Q 3 4 3 10 0.75 10 0.047 BH 4.8BH m (c) 1,6 22 6 61 1 1 6 2 2 B p v pv p z H z H g g 1,6 1,6 6 6 6 6B p B p p p H z H H z H 1,6 1,6 6 6 6 6B p B p p p H z H H z H 1,66 6B p p H z H 1,6 1,2 3,4 5,6p p p p H H H H 1,6 1.5 1.5 0.7pH 1,6 3.7pH m 46 10 4.8 6 3.7p 4 6 4.9 10p Pa 4 6 4.9 10p Pa 6 49p kPa Exemplo 4.6 - 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 v p v p z z g g 2 2 1 2 2 1 2 p p v v g 1 2 mp p h 4 41 2 6 10 1 10 0.2p p 2 1 2 1 10p p Pa 2 2 1 2 2 1 2 p p v v g 1p h 4 1 3.8 10p Pa 2 1 2 1 10p p Pa 2 20p kPa 3 2 1 20 10 1 10p 1 20100p Pa 1 2 p v 1 1 2 2A v A v Exemplos resolvidos 1. Determinar a vazão de água no tubo Venturi, mostrado na figura abaixo, sabendo-se que a diferença de pressão entre os pontos A e B é igual a 5.286kgf/m². Resp.: Q = 172 L/s Solução: 2 2 2 2 A A B B A B v p v p y y g g A A B BA v A v 2 2 4 4 A B A Bv v 2 2 B A B A v v 2 2 150 300 A Bv v 1 4 4 A B B Av v v v 2 2 2 2 A A B B A B v p v p y y g g 2 2 2 A B B A B A p p v v y y g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 14 2 2 4 45286 10 0.75 10 2 9.81 A Av v 2 216 5.286 0.75 19.62 A Av v 219.62 5.286 19.62 0.75 15 Av 2103.711 14.715 15 Av 2 103.711 14.715 88.996 15 15 A Av v 2.436A m v s A AQ A v 2 4 A AQ v 20.3 2.436 4 Q 3 0.1722 m Q s 1000 0.1722 L Q s 172.2 L Q s 2. Calcular a pressão relativa no início do duto de 250mm de diâmetro e a altura ―h‖ de água, sabendo-se que a vazão é de 105 L/s e descarrega na atmosfera. Resp.: p1 = 0,350 kgf/cm2 h = 3,73 m (A) (C) (B) Solução: 2 2 2 2 A A B B A B v p v p y y g g 220 0 0 0 2 2 2 B B v h v g h g g 2 2 2 2 C C B B C B v p v p y y g g 3 105 0.105C C B B L m A v A v s s 2 2 4 4 C B C Bv v 2 2 B C B C v v 2 2 125 250 C Bv v 1 4 4 C B B Cv v v v 2 2 4 4 C C C C Q Q v v 2 4 0.105 2.139 0.250 C C m v v s 4 4 2.139 8.556B C B B m v v v v s 2 2 0 0 0 2 2 C C B v p v g g 2 2 4 2.139 8.556 0 0 0 2 9.81 10 2 9.81 Cp 4 0.233196 3.731148 10 Cp 4 3.731148 0.233196 10 Cp 34979.53Cp Pa 2 4 2 1 1 1 9.81 10 N kgf Pa m cm 2 0.35C kgf p cm 2 2 2 B B v v g h h g 28.556 2 9.81 h 3.7311h m 3. Sabe-se que, no sistema abaixo, as pressões relativas nos pontos ―A‖ e ―B‖ são respectivamente 1,5 e -0,35 kgf/cm 2 e a vazão de água é igual a Q = 0,21 m 3 /s. Determinar a potência real da turbina, para rendimento de 60%. Resp.: PrT = 33,5 cv FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 15 Solução: 2 3 4 3 9.81 10 10H O N m A B TH H H 2 2 2 2 A A B B A B T v p v p y y H g g A A B BA v A v 2 2 0.21 4 4 A B A BQ v v 2 2300 600 4 4 4 A B A Bv v v v 4 2 2 1 9.81 10 kgf N cm m 2 20.3 0.6 0.21 4 4 A Bv v 2 4 0.21 2.97 0.3 A A m v v s 2.97 0.743 4 4 A B B B v m v v v s 2 2 2 2 A A B B A B T v p v p y y H g g 42 4 2 3 3 0.35 9.81 102.97 1.5 9.81 10 0.743 1 2 9.81 9.81 10 2 9.81 9.81 10 TH 0.44959 15 1 0.028137 3.5 TH 16.44959 3.471863 TH 19.921453TH m T T TP Q H 30.6 9.81 10 0.21 19.921453TP 24624.11TP W 1 735 1 1.014cv W HP CV 24624.11 33.5 735 T TP W P cv 4. Calcular a potência real da turbina (ηT = 70%) e as pressões relativas nos pontos 1 e 2, do sistema mostrado na figura abaixo. Resp.: PrT = 38 cv p1 = 2,99 kgf/cm 2 p2 = 0,481 kgf/cm 2 Solução: 2 3 4 3 9.81 10 10H O N m 2 2 3 3Q A v A v 22 32 2 3 4 4 v v 2 2 3 2 3 22 2 2 150 9.15 250 v v v 2 3.294 m v s 2 3H H 22 3 32 2 2 3 2 2 v pv p y y g g 2 2 4 2 3 3 3.294 9.15 0.5 9.81 10 0 6.1 2 9.81 9.81 10 2 9.81 9.81 10 p 2 3 0.553029 4.2672 0.5 6.1 9.81 10 p 2 3 9.8672 0.553029 9.81 10 p 2 3 9.314171 9.81 10 p 2 91372.02p Pa 2 4 2 1 91372.02 9.81 10 kgf p cm 2 2 0.9314 kgf p cm 1 2 2 2 1 1 2 1 3.294 m Q A v A v v v s 0 1H H 2 2 0 0 1 1 0 1 2 2 v p v p y y g g 2 2 1 3 0 0 3.394 30.5 0 2 2 9.81 9.81 10 p g 1 3 30.5 0.58711 9.81 10 p 31 30.5 0.58711 9.81 10p 1 293445.4509p Pa 1 4 2 1 293445.4509 9.81 10 kgf p cm 1 2 2.99 kgf p cm 1 2TH H H 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 T v p v p y H y g g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 16 2 2 2 2 1 1 2 1 2 2 T v p v p H y y g g 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 T v p v p H y y g g 1 2 T p p H 3 293445.4509 91372.02 9.81 10 TH 20.598TH m T T TP Q H 3 3Q A v 2 3 3 4 Q v 20.15 9.15 4 Q 3 0.16169 m Q s 30.7 9.81 10 0.16169 20.598TP 22870.47TP W 1 735 1 1.014cv W HP CV 22870.47 31.11 735 T TP W P cv 5. Calcular a potência teórica da bomba, no sistema mostrado na figura abaixo, sabendo-se que as pressões relativas nos pontos 1, 2 e 3 são respectivamente: -2.290 kgf/m²; 15.000 kgf/m² e 11.220 kgf/m². Resp.: PtB = 7,9 cv Solução: 2 2 1 1 3 3Q A v A v A v 22 2 31 2 1 2 3 4 4 4 v v v 2 2 1 2 1 2 1 2 12 2 2 300 4 150 v v v v v v 2 2 1 3 1 3 1 3 12 2 3 300 18.367 70 v v v v v v 2 3H H 22 3 32 2 2 3 2 2 v pv p y y g g 2 2 1 1 3 3 4 18.36715000 9.81 11220 9.81 2 9.81 9.81 10 2 9.81 9.81 10 v v 2 2 1 10.81549 15 17.194 11.22v v 2 2 1 115 11.22 17.194 0.81549v v 2 1 1 3.78 16.37853 3.78 16.37853 v v 1 0.4804 m v s 2 1 2 24 4 0.4804 1.9216 m v v v v s 3 1 318.367 18.367 0.4804v v v 3 8.8235 m v s 1 2BH H H 2 2 2 2 1 1 2 1 2 2 B v p v p H y y g g 2 2 2 1 2 1 2 B v v p p H g 2 2 3 15000 2290 9.811.9216 0.481675 2 9.81 9.81 10 BH 0.17637 17.29BH 17.46637BH m B BP Q H 2 1 1 4 B BP v H 2 3 0.39.81 10 0.4804 17.46637 4 BP 5818.446BP W 1 1 735 W cv 5818.446 735 BP cv 7.91BP cv 6. Calcular a vazão de água no sistema abaixo, sabendo-se que a potência teórica da bomba é de 11,8 cv e a tubulação tem diâmetro constante. Resp.: Q = 0,203 m 3 /s FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 17 Solução: 1 735cv W 11.8 735BP W 8673BP W B BP Q H 1 2BH H H 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 B v p v p y H y g g 2 2 2 1 2 1 2 2 B p pv v H y y g g 2 1 2 1B p p H y y 4 3 1.035 2.1 9.81 10 15 9.81 10 BH 4.35BH m B BP Q H B B P Q H 3 8673 9.81 10 4.35 Q 3 0.203 m Q s 7. Calcular a potência teórica da turbina, no sistema abaixo, sabendo-se que a água sai na atmosfera no final do tubo de diâmetro 75 mm. Resp.: PrT = 13.7 cv Solução: 2 4 Q A v v 2 30.075 9 0.03976 4 m Q Q s 0 3TH H H 2 2 0 0 3 3 0 3 2 2 T v p v p y H y g g 2 20 0 9 0 30 0 2 2 9.81 TH g 30 4.128 25.872T TH H m T TP Q H 39.81 10 0.03976 25.872TP 10091.088TP W 1 1 735 W cv 10091.088 735 TP cv 13.729TP cv 8. No sistema abaixo, a velocidade no ponto ―C‖ é igual a 3.66 m/s, onde a água sai na atmosfera. A pressão relativa no ponto ―A‖ é igual a – 0.35 kgf/cm2. A perda de carga entre os pontos ―A‖ e ―C‖ é igual a Δh = 3.05m. A potência real da bomba é igual a 20 cv, com rendimento de 70%. Até que altura ―H‖ , a bomba poderá elevar água, sabendo-se que o sistema tem diâmetro constante e igual a 150 mm? Resp.: H = 7,8 m Solução: e B B B Q H P eB B B P H Q C CQ A v FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 18 2 4 C CQ v 20.15 3.66 4 Q 3 0.064677 m Q s 3 20 735 0.7 9.81 10 0.064677 BH 16.2179BH m ACA B C p H H H H 22 2 2 AC C CA A A B C p v pv p y H y H g g 2 24 3 0.35 9.81 10 0 0 16.2179 1.8 3.05 2 9.81 10 2 A Av v H g g 3.5 16.2179 1.8 3.05H 12.7179 4.85 12.7179 4.85H H 7.8679H m 9. Determinar a potência real da bomba (ηB = 80%) e as pressões relativas nos pontos 1 e 2 , no sistema abaixo, sabendo-se que: a vazão de água é de 40 L/s, a perda de carga entre os pontos A e 1 é 3 vezes a carga cinética do ponto 1 e a perda de carga entre os pontos 2 e B é 20 vezes a carga cinética do ponto 2. Resp.: PrB = 66 cv p1 = 0,496 kgf/cm2 p2 = 10,408 kgf/cm 2 Solução: e Bomba B B Q H P ,1 1 3 AP c H E ,1 2 13 2A P v H g 2, 2 20 BP c H E 2, 2 220 2B P v H g 3 1 1 2 2 40 0.04 L m Q A v A v s s 2 2 22 2 2 2 2 0.04 0.16 0.16 0.1 4 v v v 2 5.0929 m v s 1 1 12 2 2 1 1 0.04 0.16 0.16 0.15 4 v v v 1 2.2635 m v s ,11 AA p H H H 2 2 2 1 1 1 1 3 2 2 2 A A A v p v p v y y g g g 2 2 1 3 0 0 2.2635 2.2635 0 6 3 2 2 10 2 p g g g g 1 3 0 0.261133 6 0.7833994 9.81 10 p 3 1 4.9554675 9.81 10p 1 48613,1369p Pa 1 4 2 1 48613,1369 9.81 10 kgf p cm 1 2 0.495546 kgf p cm 2,2 BB p H H H 2 2 2 2 2 2 2 20 2 2 2 B B B v p v p v y y g g g 2 2 2 25.0929 0 0 5.09296 73 20 2 2 2 p g g g 2 3 1.289033 6 73 26.43999 9.81 10 p 3 2 98.15095 9.81 10p 2 962860.89p Pa 2 4 2 1 962860.89 9.81 10 kgf p cm 2 2 9.815 kgf p cm FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 19 1 2BombaH H H 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 Bomba v p v p y H y g g 3 3 2.2635 48613,1369 5.0929 962860.89 6 6 2 9.81 9.81 10 2 9.81 9.81 10 BombaH 0.11536697 4.955467 0.2595769 98.150957BombaH 4.8401 98.410534BombaH 93.5704BombaH m e Bomba B B Q H P 39.81 10 0.04 93.5704 0.8e BP 45896.28 eB P W 45896.28 735e BP cv 62.44 eB P cv 10. Supondo que no sistema do exercício nº 9, os dois reservatórios estejam fechados (pA e pB ≠ 0) e sabendo-se que as pressões relativas nos pontos 1 e 2 são respectivamente 0,2 kgf/cm 2 e 9,5 kgf/cm 2 . Calcular as pressões nos pontos ―A‖ e ―B‖ e potência real da bomba (ηB = 80%), para essa nova situação. Obs.: utilizar as mesmas perdas de carga do exercício nº 9. Resp.: PrB = 63 cv pA = - 0,296 kgf/cm 2 pB = - 0,912 kgf/cm 2 11. Óleo de viscosidade dinâmica μ = 0,01 kgf.s/m² e peso específico γ = 850 kgf/m³ , escoa em regime permanente e com vazão Q = 50,0 L/s, através de 3.000,0 m de comprimento de tubo de Ferro Fundido (FºFº), com diâmetro φ = 300,0 mm. Pede-se calcular a perda de carga distribuída através da fórmula Universal de perda de carga. Resp.: Δhd ≅ 8,9 m R X L h A X: Perímetro. L: comprimento R: Tensão de atrito em kgf/cm 2 . Solução: R X L h A R dv R dv dy dy v R y Q Q A v v A Q A Q R R y A y X L h R A Q X L h A y A 2 Q X L h y A 2 2 4 Q X L h y 2 4 16 Q X L h y 3 2 4 16 0.01 50 10 3000 850 0.3 h y X 0.35 h y m X 2 2 f L v h f g Experiência de Nikuradse: ,Rf f N K 2 2 4 4 Q Q Q A v v v 3 2 4 50 10 0.7074 0.3 m v v s Número de Reynolds: R v N g g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 20 R v N g 850 0.7074 0.3 9.81 0.01 RN 1838.8RN Ferro Fundido: K = 2.59.10 -4 m 40.3 1158.32.59 10K K A função f deve ser calculada no ponto: 1838.8, 1158.3Rf f N K 0.0195f 2 2 f L v h f g 23000 0.7074 0.0195 0.3 2 9.81 fh 4.97fh m Ou Como NRe é<2000: Re 64 f N 64 0.0348 1838.8 f f 2 2 f L v h f g 23000 0.7074 0.0348 0.32 9.81 fh 8.87fh m 12. Calcular a perda de carga distribuída em uma tubulação de aço revestido nova, com 900,0 m de comprimento e 100,0 mm de diâmetro, devido ao escoamento de 378.500,0 L/dia de óleo combustível à temperatura de 20ºC ( γ = 855,0 kgf/m³ , ν = 3,94x10-6 m²/s), em regime permanente. Resp.: Δhd = 4,93 m Solução: 3 3 3 310375000 375000 4.34 10 24 3600 L m m Q Q dia s s 3 2 4.34 10 0.5529 0.1 4 m Q A v v v s g g g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 21 6 8553.94 10 g g 3 2 3.3687 10 N s m Número de Reynolds: R v N R v N g 3 855 0.5529 0.1 3.3687 10 R g N g 14032.99RN 2 2 f L v h f g Tubulação de aço: K = 4.6.10 -5 m 50.1 2173.94.6 10K K A função f deve ser calculada no ponto: 14032.99, 2173.9Rf f N K 0.03f 2 2 f L v h f g 2900 0.5529 0.03 0.1 2 9.81 fh 4.2fh m 13. Calcular a perda de carga distribuída em uma tubulação de aço soldado nova, com 3.200,0 m de comprimento e 300,0 mm de diâmetro, devido ao escoamento de 10.6x10 6 L/dia de gasolina à temperatura de 25ºC ( γ = 720,0 kgf/m³ , ν = 6,21x10- 6 m²/s), em regime permanente. Resp.: Δhd ≅ 23,82 m Solução: 3 3 3 6 6 1010.6 10 10.6 10 0.122685 24 3600 L m m Q Q dia s s 2 0.122685 1.7356 0.3 4 m Q A v v v s Aço: L = 3200m R = 4.6.10 -5 m 5 0.3 6521.7 4.6 10K K Número de Reynolds: R v N g g g R R v v N N g g 6 1.7356 0.3 83845.4 6.21 10 R RN N A função f deve ser calculada no ponto: 83845.4, 6521.7Rf f N K Pelo diagrama de Moody-Rouse: 0.019f 2 2 f L v h f g 23200 1.7356 0.019 0.3 2 9.81 fh 29.47fh m 14. Um óleo combustível à 10ºC (γ = 861.0 kgf/m³ , ν = 5.16x10-6 m²/s) escoando em regime permanente com vazão Q = 0,2 m³/s, é bombeado para o tanque "C", como mostra a figura abaixo, através de uma tubulação de aço rebitado nova, com diâmetro constante φ = 400,0 mm e comprimento de recalque L = 2.000,0 m. O reservatório em "C" está em contato com a pressão atmosférica. Sabe-se que a pressão relativa do ponto "A" é igual a 0,14 kgf/cm². Pede-se calcular a potência real da bomba, para rendimento de 80%. Resp.: PtB ≅ 282,0 cv R Solução: 3 0.2 m Q s 2 0.2 1.5915 0.4 4 m Q A v v v s Aço: L = 3200m R = 4.6.10 -5 m FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 22 5 0.4 8695.6 4.6 10K K Número de Reynolds: R v N 5 6 1.5915 0.4 1.2337 10 5.16 10 R RN N A função f deve ser calculada no ponto: 51.2337 10 , 8695.6Rf f N K Pelo diagrama de Moody-Rouse: 0.03f 2 2 f L v h f g 22000 1.5915 0.03 0.4 2 9.81 fh 19.36fh m A Bomba f RH H h H 2 2 2 2 A A R R A Bomba f R v p v p y H h y g g 21.5915 13734 0 0 100 19.36 180 2 9.81 861 9.81 2 BombaH g 0.12909 1.626 100 199.36BombaH 199.36 101.755BombaH 97.605BombaH m e Bomba B B Q H P 861 9.81 0.2 97.605 0.8e BP 206102.962 eB P W 206102.962 735e BP cv 280.4 eB P cv 15. No sistema mostrado na figura abaixo, a vazão de água à 20ºC em regime permanente é Q = 22.1 L/s. No trecho 0-1 o comprimento é 60.0 m e o diâmetro é 200.0 mm. No trecho 2-3 o comprimento é 260.0 m e o diâmetro é 150.0 mm. A tubulação em toda sua extensão é de ferro fundido nova. Pede-se calcular: a) as pressões relativas nos pontos 1 e 2; b) a potência real da bomba para rendimento de 60%. Obs.: -Utilizar a fórmula Universal da perda de carga e o método do comprimento equivalente. -No desenho: a, b = curva 90º R/D = 1 1/2; c, d = cotovelo 90º RM Resp.: a) p1 ≅ 1.760,0 kgf/m² ; p2 ≅ 1,652 kgf/cm²; b) PrB ≅ 7,26 cv Solução: 3 322.1 22.1 10 L m Q Q s s 1 1 1 12 2 01 0.0221 0.703 0.2 44 Q m Q A v v v s 2 2 60.7 10H O m s (viscosidade cinemática da água) Perda de carga no trecho 0-1: Aço: L 01 = 60m R = 2.59.10 -4 m 01 4 0.2 772 2.59 10K K Número de Reynolds no trecho 01: 1 1 01 R v N 1 1 5 6 0.703 0.2 2 10 0.7 10 R RN N A função f deve ser calculada no ponto: 1 5 012 10 , 772Rf f N K Pelo diagrama de Moody-Rouse: 0.021f 01 2 01 1 01 2 f L v h f g 01 260 0.703 0.021 0.2 2 9.81 fh 01 0.1586fh m As perdas de carga singulares ocorrem quando há perturbações bruscas (válvulas, cotovelos, etc.) no escoamento do fluido e são calculadas por expressões que envolvem análise dimensional, dadas por: 2 2 s s v h K g 2 20.703 0.9 0.02267 2 2 9.81a a b s a v h h K h m g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 23 2 20.703 0.2 0.005037 2 2 9.81R R s R v h K h m g 010 1a b R p H h h h h H 01 2 2 0 0 1 1 0 1 2 2 a b R f v p v p y h h h h y g g 2 2 10 0 0.7032 0.02267 0.02267 0.005037 0.1586 0 2 2 9.81 p g 12 0.208977 0.02518 p 1 1.7658 p 3 1 2 1.7658 1.7658 9.81 10 N p m 1 2 1765.8 kgf p m Singularidade Esquema Ks Alargamento 1 2 1 A A Caso limite 1 Estreitamento 1 2 A A Caso Limite 0.5 Cotovelo a 90° 0.9 Válvula de gaveta 0.2 Totalmen te aberta Válvula tipo globo 10 Totalmen te aberta Válvula de retenção 0.5 23 4 0.15 579.15 2.59 10K K Cálculo da velocidade no trecho 2-3: 2 2 2 22 2 23 0.0221 1.2506 0.15 44 Q m Q A v v v s Número de Reynolds no trecho 23: 2 2 23 R v N 2 2 5 6 1.2506 0.15 2.679810 0.7 10 R RN N A função f deve ser calculada no ponto: 1 5 232.67 10 , 579.15Rf f N K Pelo diagrama de Moody-Rouse: 0.0225f 23 2 23 2 23 2 f L v h f g 01 2260 1.2506 0.0225 0.15 2 9.81 fh 01 3.108fh m 232 3f vr vga c d H h h h h h H 2 21.2506 0.9 0.07174 2 2 9.81d c d s c v h h K h m g 2 21.2506 0.5 0.03985 2 2 9.81vr vr s vr v h K h m g 2 21.2506 10 0.797 2 2 9.81vg vg s vg v h K h m g 23 22 3 32 2 2 3 2 2 f vr vga c d v pv p y h h h h h y g g 2 2 21.2506 0 00 3.108 0.03985 0.797 0.07174 0.07174 12 2 9.81 2 p g 20.07971 16.08833 p 2 16.00862 p 3 2 2 16.00862 16.00862 9.81 10 N p m 3 2 4 2 1 16.00862 16.00862 9.81 10 9.81 10 kgf p cm 2 2 1.600862 kgf p cm 1 2BombaH H H 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 Bomba v p v p y H y g g FCTM – Capítulo 5 – Bombas, Turbinas e Perda de carga – Exemplos Resolvidos Prof. Dr. Cláudio S. Sartori www.claudio.sartori.nom.br 24 2 2 3 3 0.703 18839.16 1.2506 157044.56 0 0 2 9.81 9.81 10 2 9.81 9.81 10 BombaH 0.02518 1.9204 0.0797 16.0086BombaH 16.0883 1.94588BombaH 14.14272BombaH m e Bomba B B Q H P 3 39.81 10 22.1 10 14.14272 0.6e BP 5110.259 eB P W 5110.259 735e BP cv 6.95 eB P cv
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